（材料加工工程专业论文）应用电阻法进行锡基无铅焊点可靠性的研究.pdf

摘要 i i i ii ii iii _ i i 苗i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣 摘要 随着各国政治和经济相关政策的出台，电子工业领域中无铅化的呼声越来越 高。近年来所研究的合金钎料中，s n 基无铅钎料由于其良好的的性能被公认为 含铅钎料的替代品。但同时电子产品微型化发展，焊点尺寸随之减小，作为支撑、 通电和散热媒介，焊点所承受的力学、电学和热力学载荷越来越重。由此产生的 一些问题，如蠕变、热疲劳以及电迁移等突显出来，这就要求无铅钎料具有较高 的服役可靠性。 疲劳是一个复杂的过程，它由塑性变形下导致的疲劳机制和焊点在周期性载 荷作用下的蠕变变形机制共同作用。这种复杂的损伤过程也被成为蠕变疲劳。在 不同的环境条件下，电子产品在服役过程中同样会经历一个周期性变化的温度载 荷，这种周期性变化的温度载荷决定了在热疲劳过程中电子产品的服役寿命。电 阻法测量电阻率和电阻阻值由于其可将传统的两电极法中的接触电阻降到最小， 而被广泛应用于工业生产中。利用电阻法测量电导率和电阻阻值变化，监测焊点 的可靠性对于预防电子产品在极端服役条件下的失效具有重要的实际意义。 电子产品中的实际焊点通常被视为一个复合结构，包括基板、基板与钎料间 形成的界面处金属间化合物层、钎料，金属间化合物以及引线。结构中每一个组 成部分具有不同的热性能和机械性能。本文研究了热疲劳过程中纯s n 、不同s n 基合金钎料和钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化。研究中通过 不同热疲劳周期后电导率及电阻阻值的变化，结合显微组织和力学性能确定了焊 点在不同热疲劳周期后焊点结构中微裂纹的萌生，扩展及疲劳损伤特征。热疲劳 过程中电导率在前期下降明显，之后逐渐保持稳定。合金钎料和钎焊接头结构中， 电导率下降3 0 时微裂纹在焊点表面萌生；电导率下降4 5 时，微裂纹开始逐 渐扩展并伴有条状疲劳带产生。印刷线路板电阻阻值增大1 时，裂纹开始萌生； 当阻值增大5 时，焊点表面出现晶界分离现象。造成电导率下降和疲劳损伤的 原因主要是s n 的各向异性和焊点结构导致的热膨胀系数不匹配。 本文研究了热冲击、1 2 5 0 c 等温时效和4 0 0 c 等温时效过程中，纯s n 、不同 s n 基合金钎料和钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化。通过不 同热冲击周期后电导率及电阻阻值的变化，结合显微组织和力学性能确定了焊点 北京t 业大学硕十学位论文 在不同热冲击周期后焊点结构中微裂纹的萌生，扩展及疲劳损伤特征；研究了热 冲击过程对焊点电阻的影响。通过不同时效时间后纯s n 、不同s n 基合金钎料和 钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化和显微组织特征，探究了焊 点在不同热条件下表面损伤的原因。热冲击过程中合金钎料和钎焊接头电导率呈 现先下降后稳定的趋势，电导率下降2 5 时裂纹开始萌生，裂纹逐渐扩展时电导 率下降3 5 。1 2 5 0 c 等温时效过程中，电导率基本保持稳定。4 0 0 c 等温时效过 程中，合金钎料及钎焊接头电导率产生波动，断口形貌分析表明韧脆转变出现在 4 0 0 c 等温时效过程中。 关键词钎料合金；可靠性；热疲劳；电导率 a b s t r a c t a b s t r a c t e c o n o m i ca n d p o l i t i c a lp r e s s u r eb r o u g h tb ye n v i r o m e n t a lc o n c e r n sh a v e n e c e s s i t a t e dt h ee l i m i n a t i o no fl e a df r o me l e c t r o n i cs o l d e rj o i n t s t i n b a s e ds o l d e r s h a v eb e e nc o n s i d e r e da sa c c e p t a b l es u b s t r a t e sa n da r eb i n gi m p l e m e n t e d h o w e v e r ， s o l d e rj o i n t sb e c o m es m a l l e r 、v i t l lt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sm i c r o m a t i o n a st h e m e d i u mo fs u p p o r t ，e l e c t r i f ya n dc o o l i n g ，s o l d e rj o i n t se n d u r e dm u c hm o r el o a do n m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dt h e r m a l p r o b l e m ss u c ha s c r e e p ，t h e r m a lf a t i g u ea n d e l e c t r o m i g r a t i o nw e r eo c c u r r e d ，w h i c hr e q u i r e dh i g h e rs e r v i c er e l i a b i l i t yf o rl e a d f r e e s o l d e r f a t i g u ei n s o l d e ra l l o y si sac o m p l e xp r o c e s so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nf a t i g u e m e c h a n i s m sd r i v e nb yp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dc r e e pd e f o r m a t i o nt h a to c c u rd u r i n g c y c l i cl o a d i n go ft h es o l d e rj o i n t s t h i sc o m p l e xd a m a g e sp r o c e s si sc a l l e dc r e e p f a t i g u e e l e c t r o n i ce q u i p m e n tp l a c e di ns e r v i c ew i l lb es u b j e c tt oc y c l i cl o a d s ，t h e s e v e r i t yo fw h i c hi sam a j o rf a c t o ri nd e c i d i n gt h eu l t i m a t el i f e t i m eo ft h ep r o d u c t f o u r - p o i n tp r o b et e c h n i q u ei s am a t u r em e t h o df o rt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n tw i t ht h ea d v a n t a g eo v e rt w o - p o i n tp r o b et e c h n i q u ew i t ht h ei n f l u e n c eo f c o n t a c tr e s i s t a n c ei sm i n i m a l i ti si m p o r t a n tt op r e d i c tt h er e l i a b i l i t yo fs o l d e r jo i n t s s e r v e di ne x t r e m ec o n d i t i o n su s e dt of o u r p o i n tp r o b et e c h n i q u e e l e c t r o n i ci n t e r c o n n e c t sa r et y p i c a lm u l t i c o m p o n e n ts y s t e m sw i t h s u b s t r a t e ， s o l d e r s u b s t r a t ei n t e r f a c e i n t e r m e t a l l i c l a y e r ( i m c ) ，s o l d e rm a t r i x ，i m c sp r e s e n t w i t h i nt h eb u l ks o l d e r , l e a d s ，e t c e a c ho no ft h e s ec o n p o n e n t sp r e s e n ti ns o l d e r j o i n t p o s s e s s e sd i f f e r e n tt h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h ec u r r e n tr e s e a r c h ，t h e c h a n g eo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi nb u l kt i n , b u l ks o l d e r , s o l d e rj o i n t sa n dp r i n t e d w i r i n gb o a r da s s e m b l yd u r i n gt h et h e r m a lm e c h a n i c a lf a t i g u e ( t m f ) m i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r eu s e dt od e t e r m i n et h em i c r o c r a c ka n d d a m a g ed u r i n g t h ed i f f e r e n tt h e r m a lm e c h a n i c a lf a t i g u ec y c l e s i na d d i t i o n ，m e c h a n i s mo ft h e r m a l m e c h a n i c a lf a t i g u ei nd i f f e r e n ts o l d e rj o i n t sw e r er e s e a r c h e d t h eb u l kt i n ，b u l ks o l d e r a n ds o l d e rj o i n t se x h i b i t e dad r a s t i cd r o pi nc o n d u c t i v i t yw i t h i nt h ef i r s tf e wc y c l e s a n dt h e ns t a b i l i z e sb e t w e e n2 5 0a n d10 0 0c y c l e s i ns o l d e rj o i n tc o n f i g u r a t i o n ， m i c r o c r a c kf o r m e di ns u r f a c et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e d3 0 w h e nt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e d4 5 t h es u r f a c ed a m a g ea c c u m u l a t e di nb u l kt i n ， i i i 北京工业大学硕士学位论文 b u l ks o l d e ra n ds o l d e rj o i n t i np r i m e dw i r i n gb o a r da s s e m b l y , t h em i c r o c r a c kf o r m e d a sr e s i s t a n c ei n c r e a s e d1 a n dg r a i nb o u n d a r yd e c o h e s i o nw a so b s e r v e di ns o l d e r j o i n t ss u r f a c e w i t hr e s i s t a n c ei n c r e a s e d5 s n a n i s t r o p y a n ds o l d e rj o i m c o n f i g u r a t i o np l a ys i g i f i c a n tr o l e si nd a m a g ea c c u m u l a t i o nt h a tr e s u l t sf r o mt h e r m a l m e c h a n i c a lf a t i g u e e f f e c t so ft h e r m a ls h o c ka n di s o t h e r m a l a g i n go nt h ec h a n g eo fe l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yi nb u l kt i n ，b u l ks o l d e r ，s o l d e rj o i n t sa n dp r i m e dw i r i n gb o a r da s s e m b l y w e r er e p o r t e di nc u r r e n tr e s e a r c h m i c r o s t r u c t u r ea n dr e s i d u a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a se v i d e n c ei d e n t i f i e dt os o l d e rjo i m sc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h ed i f f e r e n tt h e r m a l s h o c kc y c l e s t h er o l e so ft h e r m a ls h o c ko ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw e r ee x p l o r e d t h i ss t u d yd e a l i n gw i t he f f e c t so f12 5 0 ca n d - 4 0 0 ci s o t h e r m a la g i n go ne l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , c a r d e do nb u l kt i n ，b u l ks o l d e r , s o l d e rj o i n t sa n dp r i n t e dw i r i n gb o a r d a s s e m b l y , i sa i m e da te v a l u a t i n gt h er o l e so ft h ea b o v ef a c t o r so nt h ec h a n g eo f e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yf r o mt h e s et h e r m a le x c u r s i o n s t h es o l d e r s p e c i m e n sa n d s o l d e rj o i n t se x h i b i t e dag r a d u a ld r o pi nc o n d u c t i v i t yw i t h i nt h ef i r s tf e wc y c l e sa n d s t a b i l i z ed u r i n gt h et h e r m a ls h o c k w h e nm i c r o c r a c kf o r m e da n dc r a c kp r o p a g a t i o n ， e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y d e c r e a s e d r e s p e c t i v e l y 2 5 a n d3 5 t h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yk e p ti n v a r i a n td u r i n g12 5 0 ci s o t h e r m a la g i n g t h ef l u c t u a t i n ge l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yr e s u l t i n gf r o ma g i n ga t - 4 0 0 ca n dd u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nw a so b s e r v e d f r o mf r a c t u r em o r p h o l o g yi ns o l d e rjo i n t k e yw o r d s s o l d e ra l l o y ；r e l i a b i l i t y ；t h e r m a lm e c h a n i c a lf a t i g u e ；e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i v 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塞! l 继日期：鲤2 。：墨! ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着微电子技术的发展，电子封装与组装的迅速发展和技术的不断进步，人 们对于封装的性能要求也不断提高。现代高集成度电子电路正向高性能和微型化 发展，电子元器件的体积和焊点的尺寸要求也越来越小，对电子设备小型化、轻 量化、高性能方面提出更高要求，而其所需承载的力学、电学和热力学负荷越来 越重，对其可靠性要求日益提甜卜引。 一个孤立的焊点是无所谓可靠不可靠的，只有当电子零件通过焊点与基板相 连时，焊点的可靠性才有意义。材料的特性，以及产品使用条件、设计寿命和可 接受故障率等加在一起，决定了表面贴装焊接件的可靠性，良好的焊点是保证电 子产品可靠性所必需的首要条件。电子产品是由各部件互连组成，其中最重要的 是组装连接，连接的失效也是一个概率问题，它设涉及到焊点、p c b 、元件失效 的概率。除此之外，p c b 的装配还涉及到电化学失效概率。p c b 组装连接可靠 性对产品的可靠性起着至关重要的作用，称为板级产品的可靠性。它涉及的问题 主要是焊点、p c b 、电子元件以及电化学可靠性。 电子产品和系统是在一定的应用条件下一定使用时间内发挥作用。各种产品 的应用条件各不相同，如空调设备主要是温湿度的影响，而冲击的变化不大；汽 车电子产品，不仅温湿度变化很大而且震动很大，机械冲击也很大。各种电子产 品的使用寿命要求也不一样，如手机，寿命1 3 年；而汽车电子设备、通讯设备 的寿命要求很高。所以在特定条件下，在特定时间范围内，产品的失效不能超过 某一个程度，完成产品所能完成任务的概率或可能性就是产品的可靠性。可靠性 和相应的载荷、使用环境、应用周期有关。 研究表明，电子器件的失效7 0 是由封装和组装的失效所引起，而在封装及 组装的失效中，无铅钎料焊点的失效是主要原因【6 】。因此，确定无铅钎料可靠性 需要进行大量的测试工作，测试方法应以实际的服役条件为前提，主要包括热循 环( t h e r m a lc y c l i n g ) ，电循环( p o w e rc y c l i n g ) ，三点扭曲实验( t h et h r e ep o i n tb e n d t e s t i n g ) ，振动实验( v i b r a t i o nt e s t i n g ) ，剪切实验( s h e a rt e s t i n g ) 及拉伸实验( t e n s i l e t e s t i n g ) 。在这些测试方法中热循环( t h e r m a lc y c l i n g ) 哇i 于其所得的热疲劳数据可 以直接应用于被检测的系统，而得到了最广泛的应用。 了解无铅钎料在热疲劳循环下力学性能和显微性能的变化，对钎焊材料可靠 性的研究是必不可少的。其次是由于钎料不含铅，钎料润湿性能较差，容易导致 钎焊接头的拉伸强度、剪切强度等不能满足要求【7 j 。与焊点可靠性相关的性能包 括机械性能、热疲劳性能、焊点与基材间的表面状态及所形成金属间化合物 北京工业大学硕士学位论文 ( i m c ) 。就冶金因素而言，较高的银铜含量会导致大量脆性i m c 的形成，成为 空穴核心，并出现局部粗化带，是造成焊点失效的直接原因。此外，热疲劳现象 会导致钎接接头表面的显著破坏，包括接头表面拱起( s o l d e rj o i n ts u r f a c e u p h e a v a l ) ，晶晃滑移及分离( g r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dd e c o h e s i o n ) 及表面裂纹 ( s u r f a c ec r a c k i n g ) 等。这些现象的长期累积效果会大幅降低接头的残余机械性能 s l 。因此，残余机械性能的研究也是钎接接头可靠性研究的重要组成部分。 焊点的变形和断裂特征取决于焊点合金的显微组织特征，例如，s n - a g c u 合金的抗蠕变能力就和焊料母相中弥散分布的细小a 9 3 s n 颗粒有关【9 ，1 0 】。另一个 例子，孔洞，如c u - s n 金属间化合物层和c u 层之间的k i r d e m a l l 孔洞，可以在 热循环加载或机械循环加载条件下扩展成为裂纹，而孔洞较多的位置就很容易出 现孔洞相连，进而发展成为一条连续的裂纹而造成失效【l 。s n a g c u 合金较高 的焊接温度和更高的s n 含量，可能加剧了这一现象。基于以上原因，寻找一种 现实而可行的评估方法，在焊点的实际服役过程中对其可靠性进行监测和检测成 为了一种迫切的需要。 近十年来，国内外已经研究开发出多种无铅钎料合金，但真正得到工业界应 用并被广泛接受的产品并不多。其主要原因不仅是因为无铅钎料成本过高，还因 为在某些性能方面，无铅钎料尚不能达到传统含铅钎料的水平。传统含铅钎料的 热机械性能已经得到广泛的研究并建立起了庞大的数据库，然而由于新材料的加 入导致各相成分的改变及溶解性的差异，这些热机械性能参数并不能直接应用于 无铅钎料上【l2 i 。无铅钎料研究的关键就是寻找一些新合金体系，使得它们各项 性能如熔点、熔化温度范围、润湿性、力学性能( 强度、韧性、抗蠕变性) 、物 理化学性能( 导电性、抗氧化性、抗腐蚀性能) 等应与传统的含铅钎料相近，而 且成本不能过高。而这些因素都会对无铅钎料的可靠性产生影响。 1 2 国内外的主要研究现状及动态 近年来，随着人们对电子产品可靠性以及环境等要求的提高，各国相继开始 各自的立法来限制铅的使用。欧盟等国家和地区关于无铅的w e e e ( 欧洲议会和 欧盟理事会关于电子电气废弃物的指令案) 指令案规定欧盟逐步限制铅在电子行 业的使用，并于2 0 0 6 年1 月1 日起禁用含铅钎料；日本贸易部也作出类似的法 律规定，据2 0 0 4 年3 月2 9 日的日本最大商业日报日经新闻称，日本已于 2 0 0 6 年7 月1 日起从电子设备中全面排除包括铅在内的六种有害物质，已有超 过一万家的零部件和材料生产厂家参加行动【l 孓1 。7 1 。在中国，国家信息产业部于 2 0 0 4 年2 月2 4 日通过了电子信息产品污染防治管理方法，并已于2 0 0 5 年1 月1 日起施行包括铅在内的六种有害物质被列入重点防治目录，其含量不得超过 电子信息产品污染防治国家标准的有关规定。可见，钎料无铅化已经是大势所趋， 第1 芎绪论 势在必行【1 8 。2 1 。 尽管当前无铅钎料的研究与开发已进入实用阶段，但从世界各国的应用现状 来看，无铅钎料及可靠性相关问题，很难在短期内解决。保护地球环境，是社会 发展和人类进步的必然要求，是大势所趋。为了应对经济的发展，必须加快电子 行业的无铅化进程。 1 2 1 无铅钎料的研究现状 铅是一种对环境有污染、对人体有害的物质，欧、美和日本等发达地区和国 家都已出台相关的法规和措施以限制铅在电子组装产品中的使用【2 3 。2 5 1 。目前国际 上公认的无铅钎料定义是以s n 为基体，添加了a g 、c u 、s b 、i i l 、b i 、z n 等其 它合金元素。无铅钎料合金应该满足以下要求【2 6 。2 8 】： ( 1 ) 熔点尽量接近锡铅钎料，熔化温度间隔也愈小愈好。这是因为这类钎料 在长期使用过程中已形成了一套完整的生产工艺，钎焊设备也已定型，如汽相焊 和再流焊的钎焊温度为2 2 0 2 3 0 0 c ；波峰焊的钎焊温度为2 5 0 0 c 。 ( 2 ) 价格适中。某些元素，如铟和铋，储量较小，而银价格昂贵，因此只能 作为无铅钎料中的微量添加成分。 ( 3 ) 良好的润湿性。因为在电子零件上往往有成百上千个钎焊接点，如果某 一个接点因润湿性差而发生虚焊，整个零件将变成废品。为了保证钎焊件的低缺 陷率，好的润湿性是极重要的。 ( 4 ) 优良的力学和物理性能。剪切强度、韧性、蠕变抗力、等温疲劳抗力、 热疲劳抗力、金相组织的稳定性应不低于锡铅钎料。钎料物理性能特别是电导率、 热导率、热膨胀系数等也应同锡铅钎料相对应。 ( 5 ) 易于加工成型，包括用于手工焊和修补的焊丝、用于钎料膏的焊料粉、 用于波峰焊的焊料棒等。 ( 6 ) 与各种基材的热膨胀系数( c t e ) 比较接近。 在我国，内地、香港和台湾地区的大学也积极开展了电子钎料无铅化的研究 2 9 七引。通过研究发现，在众多的无铅钎料当中，s n a g 系钎料以及添加微量c u 形成的s n a g c u 三元合金以其较优良的润湿性能及力学性能已被普遍认为是最 有潜力的含铅钎料的替代品【3 弼1 7 1 。 s n a g 系焊料作为高熔点焊料已被广泛应用于生产制造业中。s n a g 系合金 具有良好的金属特性，其力学性能、可焊性、热疲劳可靠性良好。s n a g 合金是 数岬以下的微细a 9 3 s n 化合物分散在s n 矩阵中的分数强化合金。s n 和a g 在 2 2 1 0 c 反应形成s n 基相的共晶结构和金属间化合物a 9 3 s n ，如图1 1 所示。 这种微细的a 9 3 s n 化合物很稳定，即使在高温下也不容易粗大化，所以该合金 北京工业大学硕士学位论文 具有良好的耐热疲劳性和很高强度，其强度是s n p b 共晶焊料的2 倍，在要求接 合部长期可靠性的机器中使用最厶适_ t 3 8 】。 a t o m i cp e r c e n tt i n 图1 - 1s n a g 二元合金相副3 9 1 f i g 1 1b i n a r yp h a s ed i a g r a mo fs n a ga l l o y 【3 9 】 众多的无铅钎料当中，s n a g c u 合金系有着较合适的工业生产实用性。据 i p c 2 0 0 0 年的报告指出，s n a g c u 合金( 包括添加有第四种元素的合金) 将会成 为最有潜力的锡铅钎料的替代品。同时s n a g c u 合金将成为一个评价其他无铅 钎料合金的基准。 s n a g c u 系钎料的相关研究较多，s n a g c u 系钎料显微组织主要由3 - s n 和共晶组织构成，其中共晶组织包括粒状的1 3 - s n + a 9 3 s n 和块状的3 - s n + c u 6 s n 5 两种二元共晶组织和c u 6 s n s + 1 3 s n + a 9 3 s n 的三元共晶组织，如图1 2 和图1 - 3 所示。目前主要是对各种成分的s n a g c u 系钎料进行性能评价，或将其作为评 价新钎料的基准钎料。研究表明s n a g c u 系钎料在2 2 7 0 c 容易形成界面粗大组 织脆性相c u 6 s n 5 而导致其力学性能下降【4 0 4 1 1 。同时国内外多项研究也表明， s n a g c u 钎料以及其改进型的s n a g c u b i 钎料( 熔点稍有降低) 具有良好的 可靠性、较强的抗蠕变和抗热疲能力。表1 给出了几种典型的无铅钎料及其熔点 和成本【4 2 | ，其中以s n 3 7 p b 的单位体积成本为1 0 。 第1 章绪论 c uc o n t e n t ( w t ) 图1 2s n a g c u 合金相图【3 9 】 f i g 1 2p h a s ed i a g r a mo fs n a g c ua l l o y c 3 9 l a g s n c o n t e n t ( w t ) 图1 - 3s n a g c u 富锡区合金相图 3 9 】 c u f i g 1 3p h a s ed i a g r a mo fs n a g c ua l l o yi ns n r i c h 【3 9 】 - 5 摹_事=o芑ou m 、， 北京工业大学硕士学位论文 表1 1几种典型无铅钎料及其熔点和成本【4 2 】 t a b l e1 1t h er e f e r e n c ed a t ao fr e c o m m e n d e dl e a d f r e es o l d e r s 【4 2 】 1 2 2 焊点的热疲劳可靠性问题 在电子封装中，钎焊连接部位的性能是评价封装质量的基本依据之一电子封 装钎焊连接部位最重要的服役性能是力学性能、电学性能和物理性能( 导热性能 和热膨胀等) 。在很多情况下，微电子封装结构和系统功能的退化与失效并不是 因为电学功能的缺失，而是钎焊连接部位在复杂条件下的力学失效【4 3 1 。印制电 路板组装连接的可靠性取决于器件、印制电路板以及焊点可靠性，如图1 _ 4 1 4 4 1 。 两磊磊磊订 l 一 图1 - 4 印制电路板组装焊点连接的可靠性m 】 f i g 1 4r e l i a b i l i t yi ns o l d e rj o i n to fp r i n t e dw i r i n gb o a r d m 】 * i 霉鳍* 影响焊点的可靠性主要有两个因素，焊点本身的特征和加载到焊点上的载荷 条件。焊点本身的特性与下列因素有关，包括焊料舍金成分微观结构、焊料与元 件端头及焊盘连接、焊点的形状与太小、焊点中的空洞h “。 f 1 ) 焊料合金成分以及微观结构 不同成分的合金材料由于熔点的不同，所受热应力不同；表面张力不同，导 致润湿性不同；热膨胀系数的不同，如焊料与引脚材料的熟膨胀系数存在差异， 导致焊料与界面、焊点的应力差异；这些都会影响焊点可靠性。另外，不同金属 材料受电化学的影响程度会不一样，有些会很敏感，有些不敏感，对焊点可靠性 也会产生影响。 使用的焊料、焊膏材料不同对于焊点机械性能的影响是不同的。常用的 s n a g c u 焊料，其中a g 的作用是形成细小的a 9 3 s n 晶粒改善合金的机械性能， 添加到35 w t 的a g 时，s n a g 焊料的屈服强度和拉伸强度达到最高。但添加a g 含量超过4 w t 时，在焊料中会生成a 9 3 s n 的大板块结构( 如图1 5 ) ，热疲劳中， 裂纹会在板块和焊料的交界面形成并扩展，造成可靠性的降低。s n a g 焊料中加 入c u 不仅维持焊料良好的台金性能，同时可以降低熔点i 帕, 4 7 1 。 图1 5 钎焊接头中形成的a 9 3 s ” f i 9 1 5s e m i m a g e s o f a g s s n i ns o l d e r j o “” 锡的各向异性对热疲劳失效起着非常关键作用。无铅合金是高古锡材料。 b s n 具有很高的各向异性，如s a - 35 a g 的挑= 05 6 ( 如图1 6 ) 。锡的各向异性 特性可以用取向图像显微镜( o i m ：o r i e n t a t i o ni m a g em i c r o s c o p y ) 验证。由于相邻 锡晶粒之间的取向不同，将会引起内应力，在热疲劳作用下，最大正应力使焊点 产生表面拱起，最大剪应力使晶界滑移和分离等变形h 8 - 删。 i ：虿王些銮茎至圭茎堡鎏圣 c 图】6 阻s n 的各向异性( 体心四方结构h 1 ，a - 5 8 3 2 ，c = 31 8 2 a ，j a = 0 5 4 5 6 ) 【删 f i 9 1 6 a n i s o t r o p y o f b - s n ( b o d yc e n t e r e d t e w a g o n e l l 4 1 a - 5 8 3 2 ，c = 3 1 8 2 a c a = 0 5 4 5 6 ) ( 2 ) 焊点与焊盘元件端头界面的结合形式 在焊接过程中焊料与元件端头表面发生润湿、扩散等反应，形成金属问化合 物界面。界面的形态对连接的可靠性影响很大，无论是界面结合层的成分还是厚 度都会有影响”q 。由于金属间化舍物比较脆，与元件端头材料、表面材料的热 膨胀系数差别很大，结合层很厚情况下，容易龟裂，因此掌握界面结合层的形成 及长大机理，对确保可靠性非常重要。 ( 3 ) 焊点的形状与大小 焊点的形状与大小决定了焊点上的应力应变分布。如b g a 的焊球，应力通 常集中在焊球与芯片的界面，所以失效裂纹常发生在这些地方( 如图1 7 ) 。焊点 的高度也会影响应力分布，焊点越高应力分布越小。又如c b g a 上陶瓷载体与 p c b 的c t e 不匹配造成焊球上承载高应力，c c g a 由于立柱在热膨胀时有一定 的变形能力，缓解了焊点上的应力集，可靠性能力较高”。”j 。 ( 4 ) 空洞 空洞在焊点中经常见到很容易被普通的x r a y 检测到。空洞的大小和位置也 会影响焊点的可靠性。空洞在界面上，会造成局部过热或可能增强应力和应变， 因此可以减少焊点的结构完整性，降低了焊点的可靠性。当空洞在焊点里面，如 果恰好在裂缝的顶点处，而且应力集中在空洞的周围，这些空洞不足够大来产生 新的裂缝，这样就会有助于减少裂缝唧】。 图l - 7b g a 焊点失效常发生的部位【。j f i g1 7 m i c r o c r a c k i n b g a 近年来，针对焊点的不同失效原因，国内外关于电子封装可靠性的研究包括 以下几个方面： “) 新型钎料的研究 i v e re a n d e r s o n u ”等研究了s n - a g - c u 和s n - a g c u x 钎料合金等温时效过 程中的显微组织、力学性能和冲击损伤。研究发现，第四元素的加入有助于台金 钎料凝固过程中三元共晶组织的形成，抑制了树枝晶的生长，有助于钎焊接头可 靠性的提高。jgl e e i 划研究了热疲劳过程中驻留时间对s n a g 基钎焊接头性能 的影响。研究发现在s n - a g 基钎料中添加少量的c u 和n i 形成的合金钎料在热 疲劳过程中表现了良好的抗热疲劳性能。 h w a - t e n g l e e ”等研究了s n a g - s b 钎焊接头的可靠性。研究发现在相同试 验条件下s n a g - s b 钎焊接头的疲劳寿命随着s b 含量的增加而增加，当s b 的含 量为1 0 0 5 时，s n - a g s b 钎焊接头的疲劳寿命最长。热疲劳过程中，疲劳裂纹 萌生于金属闻化合物层，界面处金属间化合物层厚度随着s b 含量的逐渐增加而 增加。m a r s h a l l 【5 ”等人研究了热疲劳以后s n a g 系无铅钎料钎焊接头的残余剪切 强度，研究发现，在前2 5 0 循环周期钎焊接头的剪切强度减小了大约6 0 ，而在 2 5 0 周以后到1 0 0 0 周，剪切强度并没有明显降低，表明接头韧性在早期的热循 环后变差，显微组织观察也验证了这点，同时也发现室温和8 5 0 c 的蠕变强度与 热循环之前大致相当，几乎没有什么改变。 此外，美国密歇根州立大学的k ns u b r m n a n i a n 【5 9 1 等对s n 35 觚共晶钎料中 添加含量为3 的p o s s 2 ( p o s s t r i s i l a o l c y e l o h e x y l ) 复合钎料进行了热疲劳和残 余剪切强度研究，研究表明：含p o s s - t r i s i l a n o l c y c l o h e x y l ( 3 啪颗粒的复合钎料 可以显著提高s n - 3s a g 钎料的抗热疲劳性能，同时提高了其残余剪切强度。 ( 2 ) 等温时效对焊点的可靠性影响 北京工业大学硕十学位论文 c h o i 等研究了共晶s n p b 和共晶s n - a g 钎料及其复合钎料在等温时效过程 中金属间化合物层对钎焊接头的可靠性的影响1 60 。研究发现，时效过程中c u 6 s n 5 金属间化合物粗化长大，在高温时效过程中c u 6 s n 5 金属间化合物粗化长大尤为 明显。刘艳斌等对等温时效对s n a g c u c u 焊接接头显微组织及强度的影响研究 中发现，焊接接头抗拉强度随着时效时间的增加开始略有增加而后逐渐下降。断 口观察发现，随着时效时间的增加，断裂源从焊料内部向c u 6 s n 5 界面移动【6 1 1 。 h u a n g 等人研究了不同p c b 表面处理对j 引脚s n p b 焊料热疲劳金属间化 合物( i m c ，i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ) 形成和生长的影响。实验研究了镀n i a u 表 面与有机助焊剂处理表面的显微组织，5 0 0 、1 0 0 0 周期循环后发现镀n i a u 界面 i m c 生长速度是有机助焊剂处理表面界面i m c 生长速度的1 3 倍。c u 3 s n 临近 c u 基板，而c u 6 s n 5 则靠近钎料，并且其生长速度要比c u 3 s n 快【6 2 1 。p a n g 等人 研究了s n p b 钎料热循环时效钎焊接头显微组织和i m c 对力学性能的影响。研究 结果表明：i m c 的厚度与循环时间的平方根成线性关系，平均最大剪切应力随 热循环周期的增加而减小，残余疲劳寿命在前1 0 0 0 周减少了6 倍，而在随后的 1 0 0 0 周减少了8 倍【6 引。 ( 3 ) 热疲劳失效形式 随着热循环的进行，由于热应力的积累，焊点内部将产生微裂纹。随着热应 力的增加沿界面出会产生宏观裂纹，这些裂纹逐渐延伸到焊点内部并产生疲劳断 裂。韩潇等对c s p 封装s n 3 5 a g 焊点的热疲劳寿命进行预测发现畔】，在热循环 过程中，焊点的最大等效塑性应变以及最大粘塑性应变能密度都是发生在边角焊 点靠近基板焊盘的界面处，因而预测该界面将是焊点首先出现裂纹的地方。s t a m 等研究了热疲劳对s n p b 和s n a g c u 表面封装焊点的影响，研究发现热疲劳对含 铅和无铅钎料表面封装焊点表面损伤及影响方式相似【6 5 1 。张群等研究了倒装焊 s n p b 焊点的热疲劳失效，发现随着热循环进行，在s n p b 焊点的塑性应变范围 较大区域发生非均匀组织粗化，焊点热疲劳裂纹在粗化带中萌生 6 6 1 。 1 2 3 可靠性研究中主要存在的问题 近年来，针对严酷服役条件下焊点的可靠性问题国内外开展了大量的研究工 作，一方面通过改善钎料合金的成分试图提高焊点的机械性能和热疲劳性能，另 一方面通过改进有限元模型及其算法对焊点在不同服役条件下的失效问题进行 预测，但遗憾的是到目前为止对于焊点在热疲劳过程中何时可被视为失效的概念 仍不明确，原因在于对于热疲劳的研究数据还远远不够，同时热疲劳是一个复杂 的过程体系，利用有限元的模拟与焊点在实际条件下所经历的真实条件仍存在差 异。选择一种工业中认可的检测方法检测焊点的实际变化成为了解决问题的根 本。 第l 章绪论 1 2 4 四电极法的应用 直流四探针法也称为四电极法，主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率 的测量。 ( 1 ) 四电极法在半导体电阻测率量中的应用 常温下，半导